УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК H05H7/00 H05H1/34 

Описание патента на изобретение RU2191490C1

Предлагаемое изобретение относится к электронно-лучевой технике, а именно к устройствам для вывода интенсивных пучков частиц из вакуума в газовую среду высокого давления.

Известны устройства для вывода корпускулярных частиц через соосные отверстия, выполненные в последовательно расположенных камерах дифференциальной откачки, из которых отдельными насосами откачивается газ [1]. Таким образом, создается ступенчатое уменьшение давления до величины, при которой может работать источник частиц (См. Пат. США 358534 кл. 219-121 опубл. 15.06.71, пат. ГДР 75106 опубл. 20.07.72, АС СССР 126204 кл. Н 05 В 07/00 опубл. БИ 4 1960, АС СССР 1281141, AC СССР 999948 кл. H 01 J 3/00). В ряде случаев для поглощения газа могут использоваться сорбенты [2-3].

Недостаток подобных устройств заключается в ограничении мощности выводимого пучка из-за оседания частиц на краях отверстий. Увеличение же диаметра отверстий требует увеличения мощности вакуумных насосов для обеспечения вакуума в источнике частиц, что связано с увеличением материальных и энергетических затрат.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство для вывода частиц (АС СССР 1047371 кл. Н 05 Н 7/00). Устройство содержит источник частиц и пролетную камеру дифференциальной откачки. В камере выполнены отверстия для подсоединения к средствам вакуумной откачки, а также соосно расположенные входное и выходное отверстия с пролетными патрубками для выпуска частиц из области пониженного в область повышенного давления. Патрубки имеют форму полых конусов и направлены вершинами друг к другу. Патрубок, ближний к источнику, снабжен боковыми отверстиями. При откачке камеры и источника газ между патрубками формируется в виде струи. При обтекании газом патрубка, ближнего к источнику, на внешней стороне патрубка реализуется меньшее давление, чем внутри патрубка. Изготовление боковых дренажных отверстий позволяет удалять часть газа из канала вывода пучка обратно в камеру дифференциальной откачки и тем самым либо разгрузить источник частиц по давлению газа, либо при сохранении давления увеличить размер отверстия в патрубке.

Основной недостаток прототипа заключается в ограничении мощности выводимых частиц вследствие потерь частиц на газе и вокруг выводных отверстий патрубков. Согласно прототипу расстояние между патрубками, соответствующее минимальному давлению в источнике частиц, пропорционально диаметру выводного отверстия, а также давлению на срезе патрубка. При выводе технологических пучков токи, пропускаемые отверстиями, составляют 100-200 мА/мм2 площади отверстия. Затрачиваемая на откачку газа мощность насосов составляет 5-10 кВт/мм2 площади отверстий при оптимальном расстоянии между патрубками 5-10 диаметров выводных отверстий [4]. Эти условия совершенно недопустимы для вывода сильноточных пучков с энергией до 100 кэВ, вследствие большого диаметра пучков и почти полных потерь частиц из-за рассеяния на газе, а также массогабаритных ограничений производства по изготовлению откачных средств (примерно 10 кг веса насоса на 1 литр откачки при давлении 1 мм рт. ст.).

Мощность частиц в прототипе ограничена тем, что радиальное расширение струи газа невелико и она пролетает мимо камеры промежуточной откачки, почти не откачиваясь, вынуждая насосы промежуточной откачки работать вхолостую. В итоге, использование традиционного способа повышения мощности частиц за счет наращивания числа промежуточных камер теряет смысл.

Задача изобретения - увеличение мощности пучка частиц, выводимых из вакуума в газовую среду повышенного давления.

Эта задача достигается тем, что в устройстве для вывода частиц, содержащем источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, между патрубком дальним от источника и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания.

Сущность предлагаемого решения в том, что при истечении газа в вакуум струя расширяется пропорционально перепаду давления в потоке газа и температуре ([5] стр. 404, рис. 7.33; [5] таблицы параметров потока газа стр. 857-879). Электрическая изоляция патрубка и зажигание с него разряда в пролетной камере способствует развалу потока газа от оси вывода пучка за счет объемного нагрева газа, при котором разность температур вызывает разность давлений. В итоге струя газа не пролетает мимо камеры откачки прямо в источник, а отклоняется и откачивается насосом. Это приводит к уменьшению количества газа в источник, что позволяет при прежних насосах увеличить диаметр выводных отверстий и тем самым увеличить мощность выведенных частиц за счет их количества (т.е. за счет тока). Кроме того, расстояние, соответствующее минимальному давлению в источнике, сокращается от 5 до 2 диаметров выводных отверстий. Это уменьшает потери частиц на газе. Отпадает потребность в форме патрубков, поскольку струя, ориентированная в прототипе на выводное отверстие источника, отклонена по всем радиальным направлениям, и отверстие находится в статическом давлении, которое в несколько раз меньше напорного давления струи.

Роль введенных элементов в повышении мощности выводимых частиц.

Диэлектрическая вставка должна быть введена именно между патрубком, дальним от источника, и корпусом пролетной камеры. Именно от патрубка, дальнего от источника, при перепаде давления в струе начинают формироваться периферийные скачки уплотнения давления [4 стр.404]. Это способствует облегчению зажигания разряда по струе газа и ее радиальному отклонению. Таким образом, отклонение струи за счет разряда создает новый принцип воздействия на поток - электрофизический.

При зажигании разряда наблюдается явление термобароэффекта, при котором разность температур вызывает разность давлений. Величина изменения давления поперек струи Рj3 (см. чертеж) может быть оценена из соотношения параметров при стационарном тепловом процессе в потоке газа [5] стр.227 формула (79).

Pj/P3 = 1+k(λ2-1)/(λ2+1), (1)
где λ- табличный [5 стр.857-878)] коэффициент скорости потока: отношение скорости потока к скорости звука в неподвижном газе. (Для воздуха при P1/P0= l и λ = 0 - газ неподвижен; при P1/P0=0,528 и λ = 1 - скорость потока равна скорости звука; при P1/P0 = 0 и λ = 2,45 скорость потока достигает теоретического предела). В известных газодинамических окнах по энергетическим соображениям перепад давления на патрубке 5 не превышает двух-трех порядков. При теоретически возможном для воздуха коэффициенте скорости потока λ, не превышающем 2,45, предельная величина изменения давления, определенная по соотношению (1), близка к двум (Pj/P3≈2).

При зажигании разряда непосредственно вокруг патрубка, дальнего от источника, формируется зона изменения параметров, эквивалентная изменению геометрической формы патрубка. Вследствие развала струи патрубок, ближний к источнику, находится в статическом давлении и его форма в отличие от аналогов и прототипа не влияет на перепад давления через пролетную камеру.

В связи с вышеизложенным предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Предлагаемое решение отличается от известных по физике процесса и его экономичности. Отклонение потока газа выигрывает у систем с отклонением пучка по массогабаритным параметрам устройства и эффективности загрузки насосов, откачивающих промежуточные камеры. Предлагаемое решение выигрывает по экономичности у систем с отклонением потока подачей дополнительного газа (патент США 3162749 опубл. 22.12.1964), поскольку для откачки дополнительного газа требуется дополнительная мощность откачки. Предлагаемое решение выигрывает у систем с подачей сорбента к выводному отверстию с целью отклонения потока газа [2, 3], поскольку ресурс сорбента ограничен (особенно при высоких давлениях) и возникают проблемы с его удалением из камеры. В известных решениях [1-4] делается ставка на газодинамические явления и соответственно на форму элементов в струе газа. Однако при уменьшении давления влияние газодинамических эффектов ослабевает вследствие разреженности газа и решения, предлагаемые аналогами, перестают работать. В предлагаемом решении нет воздействия струи на патрубок, ближний к источнику. Соответственно форма патрубков не влияет на перепад давления между источником частиц и газовой средой. Сам же разряд может существовать в широком диапазоне больших и малых давлений. В предлагаемом решении впервые решена проблема независимости формы патрубка для получения минимального давления в источнике частиц. Это очень важно для уменьшения потерь частиц при выводе, поскольку на патрубке, ближнем к источнику, теряется подавляющая часть мощности и он часто плавится. На основании вышеизложенного предлагаемое устройство отвечает критерию "существенные отличия".

Конструкция заявляемого устройства представлена на рисунке применительно к выводу электронного пучка из источника электронов на основе высоковольтного тлеющего разряда. Устройство состоит из источника частиц, образованного катодом 1 и анодом 2. Источник установлен на пролетной камере дифференциальной откачки 3. Эта камера снабжена патрубками 4, 5 диаметром 15 мм для вывода пучка частиц. Патрубок, дальний от источника (5), отделен от пролетной камеры диэлектрической вставкой 6 и подсоединен к источнику питания 7.

Устройство работает следующим образом. При откачке газа из камеры 3 и из источника частиц газ из окружающего пространства с давлением РQ и расходом Q через отверстие d патрубка 5 устремляется в направлении источника частиц. Часть потока Q1 откачивается из камеры 3, остальная часть потока Q2 откачивается из источника частиц до давления P2. В предлагаемом устройстве газ, достигнув среза патрубка, начинает расширяться, стремясь к выравниванию давления с давлением P1 в камере дифференциальной откачки. На срезе патрубка 5 реализуется давление Pj. При подаче напряжения на патрубок 5 в системе патрубок-камера по скачкам давления 8 (по краю струи) зажигается разряд. Нагретая струя - более широкая, чем холодная. В итоге, на поток газа, устремляющийся в направлении источника, накладывается поперечный градиент давления, что усиливает отклонение. Усиление отклонения позволяет сблизить патрубки, а также уменьшить давление в источнике частиц. При подаче напряжения на катод в системе возникает высоковольтный тлеющий разряд. Ионы из плазмы разряда устремляются на катод, из которого под действием ионной бомбардировки выбивают поток электронов (9). Электроны фокусируются в пучок и выводятся через патрубки в газовую среду. Таким образом, наложение на патрубок функции электрода дает ему функцию виртуального элемента, формирующего поток в нужном направлении в зависимости от тока источника питания. Это способствуют отклонению потока и возможности увеличить мощность частиц при сокращении расстояния транспортировки до двух-трех диаметров выводных отверстий.

Наличие поперечного градиента давления приводит к развалу струи в поперечном направлении, отклонению струи от выводного отверстия в патрубке 4. В отверстие патрубка 4 попадает газ с давлением P1, которое в несколько раз меньше напорного давления Р*. (Полное давление в струе Р* отличается от статического P1 в 10-20 раз [5, стр.403, абзац 2]). При прежних вакуумных насосах давление в источнике частиц уменьшается. Для достижения прежнего рабочего давления в источнике оказывается возможным увеличить диаметр отверстий в патрубках, а соответственно, и мощность частиц за счет тока.

Введение диэлектрической вставки между патрубком и пролетной камерой позволяет увеличить диаметр отверстий для вывода пучка и, соответственно, мощность выводимых частиц за счет тока пучка.

В конкретном случае для вывода электронного пучка в атмосферу с энергией 70 кэВ используется сильноточный электронный источник с инициированием пробоя по поверхности диэлектрика [6, стр.87]. В патрубках выполнены пролетные отверстия диаметром 5 мм (площадью 20 мм2). Откачка пролетной камеры дифференциальной откачки проводится водокольцевым насосом ВВН-3 до давления Р1, равного 100 мм рт. ст. Откачка сильноточного источника проводится насосом ВН-7 до давления 0,1 мм рт. ст. Пролетная камера дифференциальной откачки изолирована от патрубка капролоновой вставкой. Патрубок 5 через сопротивление соединялся с источником питания, выдающим напряжение до 3000 В при токе до 3 А.

Величина увеличения площади отверстия для вывода частиц оценивается из соотношения вакуумной техники, связывающего расход газа Q, проводимость отверстия U и разность давлений по обе стороны отверстия патрубка 5.

Q=U(P0-P1) [7, формула без номера на стр.408],
где P0 - давление в среде, куда выводится пучок.

U=200 А (м3/с) [7, стр.425, формула для U(15-14)],
где А - площадь выводного отверстия.

В случае развала струи от оси патрубков наблюдается уменьшение напорного давления струи от Р*≈Р0 до давления Р1, соизмеримого с давлением на входе насоса. Для сохранения прежнего расхода оказалось возможным увеличить диаметр выводного отверстия до 15 мм (площадь выводного отверстия соответствует 140 мм2). Соответственно увеличению площади отверстий увеличивается поток выводимых частиц за счет тока. При диаметрах выводных отверстий 5 мм в прототипе возможен вывод пучка электронов током 2 кА [8]. При энергии электронов 70 кэВ мощность частиц составит 140 МВт при расстоянии между срезами патрубков h= 10d= 50 мм. При этих же средствах откачки в данном устройстве площадь отверстий увеличена более чем в 7 раз (от 20 до 140 мм2). Расстояние между срезами патрубков уменьшено до 2х диаметров выводных отверстий. Мощность выведенных частиц за счет среза соответственно увеличена в 7 раз при уменьшении расстояния между патрубками в 5 раз (от 10d до 2d).

Величина увеличения мощности частиц за счет разряда может быть оценена по изменению расхода газа Q вследствие его прогрева [5, стр.195, формула (30)]:
Qx/Qг=[(2Tг/Tх)-l]0,5
Индексы "х" и "г" относятся к холодному и горячему газу.

В предельном случае для воздуха Тгх=2,04 ([5] стр.201, следствие из формулы 42а). Таким образом, изменение расхода от разряда Qx/Qг=1,75.

В общем случае расход газа Q через отверстие пропорционален площади этого отверстия А и температуре втекающего газа Т ([5], стр.153 формула 8а)
Q=0,0404 P0A/T0,5
При уменьшении расхода газа в 1,5 раза площадь выводного отверстия для сохранения прежнего расхода может быть увеличена в 1,5 раза без изменения параметров насоса. Таким образом, за счет разряда мощность выведенных частиц может быть увеличена еще в 1,5 раза.

Преимущества предлагаемого устройства перед известными в том, что при уменьшении давления приоритет в создании перепада давления переходит от систем на основе газодинамических эффектов к газоразрядным системам.

Таким образом, прелагаемое решение обладает элементами новизны, существенно отличается от известных и является полезным для производства.

Библиографические данные
1. Schumacher B.W. Dynamic Pressures Stages for High - pressure/ High - vacuum Systems. Trans. 8 th.nat. Vacuum Symposium and 2-nd Int. Congress a Vacuum science and technology. 1961, Washington, Pergamen Pres, 1962, 1192-1200.

2. АС СССР 581780 МКИ Н 05 Н 7/10. Устройство для вывода пучков ускоренных электронов. Ершов Б.Д., Кирилов И.Р., Прудников И.А. Саксаганский Г. Л. з. 15.7.76, опубл. БИ 6 15.2.89.

3. Ершов Б.Д., Саксаганский Г.Л. Устройство вывода пучка ускоренных частиц. АС СССР 1055310 МКИ Н 05 Н 7/00 опубл. 15.02.89 БИ 6.

4. Орликов Л. Н. Оптимизация газодинамического окна для вывода стационарных электронных пучков. ПТЭ, 2001, 1, с.137-139.

5. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.

6. Орликов Л.Н., Толопа А.М., Погребняк А.Я., Рудич Е.Н. Ионный источник с плазменным анодом для модификации поверхности. 1 всес. конф. по Модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. - Томск, НИИЯФ, 1988, с.87-89.

7. Королев Б.И. Основы вакуумной техники. М.: Энергия, 1964.

8. Иевлев В. М., Коротеев А.С. Вывод в атмосферу и исследование мощных стационарных электронных пучков. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1981, N3, с.3-13.

Похожие патенты RU2191490C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ 2001
  • Орликов Л.Н.
  • Орликов Н.Л.
RU2204222C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И ВЫВОДА ЧАСТИЦ 2001
  • Орликов Л.Н.
  • Орликов Н.Л.
RU2191489C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1982
  • Орликов Л.Н.
  • Чикин Е.В.
SU1047371A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 2000
  • Орликов Л.Н.
  • Орликов Н.Л.
  • Шандаров С.М.
RU2187168C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1986
  • Орликов Л.Н.
SU1412586A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ПОТОКА ЧАСТИЦ 1984
  • Орликов Л.Н.
  • Кузнецова С.В.
SU1294284A1
УСТРОЙСТВО ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1988
  • Орликов Л.Н.
SU1547678A2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 1985
  • Орликов Л.Н.
  • Носков Д.А.
SU1281141A2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ВЫВОДА ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ЧАСТИЦ 1986
  • Орликов Л.Н.
  • Носков Д.А.
SU1409110A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1988
  • Орликов Л.Н.
SU1521261A1

Реферат патента 2002 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ

Изобретение относится к электронно-лучевой технике, а именно к устройствам для вывода интенсивных пучков частиц из вакуума в газовую сферу высокого давления. Технический результат - увеличение мощности пучка частиц, выводимых их вакуума в газовую среду повышенного давления. В устройстве для вывода частиц, содержащем источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, между патрубком, дальним от источника, и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 191 490 C1

Устройство для вывода частиц, содержащее источник частиц, пролетную камеру, дальний и ближний к источнику патрубки, соосные источнику частиц, в котором между патрубком, дальним от источника, и камерой введена диэлектрическая вставка, а сам патрубок соединен с источником питания.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2002 года RU2191490C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1982
  • Орликов Л.Н.
  • Чикин Е.В.
SU1047371A1
Устройство вывода пучка ускоренных частиц 1981
  • Ершов Б.Д.
  • Саксаганский Г.Л.
SU1055310A1
УСТРОЙСТВО ВЫВОДА ЧАСТИЦ 1988
  • Орликов Л.Н.
SU1547678A2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 1985
  • Орликов Л.Н.
  • Носков Д.А.
SU1281141A2
US 3585349 А, 15.06.1971.

RU 2 191 490 C1

Авторы

Орликов Л.Н.

Орликов Н.Л.

Даты

2002-10-20Публикация

2001-09-03Подача